Mechanika kwantowa dla niefizyków Jacek Matulewski (e-mail: jacek@fizyka.umk.pl) Mechanika kwantowa dla niefizyków 4 stycznia 2016 1

Plan wykładu Dlaczego fizyka kwantowa jest ważna? Doświadczenie Younga Funkcja falowa Mechanika kwantowa: doświadczenia interferencyjne Teoria pomiaru Kwantowy model atomu Laser BEC Teleportacja, splątanie kwantowe, EPR Fuzja jądrowa inicjowana laserem. Attofizyka Cząstki elementarne: model standardowy LHC Wielka unifikacja

Plan na dziś Dlaczego fizyka kwantowa jest ważna? Doświadczenie Younga Funkcja falowa Mechanika kwantowa: doświadczenia interferencyjne Teoria pomiaru Kwantowy model atomu Laser BEC Teleportacja, splątanie kwantowe, EPR Fuzja jądrowa inicjowana laserem. Attofizyka Cząstki elementarne: model standardowy LHC Wielka unifikacja

Kontrolowana synteza termojądrowa wywoływana silnym impulsem lasera Słońce na Ziemi Kontrolowana synteza termojądrowa wywoływana silnym impulsem lasera

Kontrolowana synteza termojądrowa wywoływana silnym impulsem lasera Słońce na Ziemi Kontrolowana synteza termojądrowa wywoływana silnym impulsem lasera

Słońce Kula plazmy (zjonizowanego gazu) o masie: 2·1030 kg (333 tys. MZ) W tym: H (p) – 74% He (2p + 2n) – 25% pierw. cięższe – 1% Średnica: 1 392 000 km Gęstość: 1,41 gęstości wody Okres obrotu: 27 dni ziemskich g = 273 m/s2

Słońce 1 – jądro (0.25R, T = 15 mln °C) 2 – strefa promienista 3 – strefa konwekcyjna 4 – fotosfera (T = 6000 °C) 5 – chromosfera 6 – korona 7 – plamy słoneczne 8 – granule 9 – protuberancje Gęstość materii w jądrze: r = 1,5·105 kg/m3 = 150 ton/m3 (gęstość spada wykładniczo) W jądrze: H – 40%

Fuzja jądrowa w jądrze Słońca p + p → D + e+ + n neutrino 1,44 MeV neutrino 1,44 MeV D = 2H deuter Cykl p-p I

Fuzja jądrowa w jądrze Słońca p + p → D + e+ + n neutrino 1,44 MeV neutrino 1,44 MeV deuter D = 2H D + p → 3He + g pr. gamma 5,496 MeV pr. gamma 5,496 MeV pr. gamma 12,860 MeV Cykl p-p I

Fuzja jądrowa w jądrze Słońca p + p → D + e+ + n neutrino 1,44 MeV neutrino 1,44 MeV deuteron D = 2H D + p → 3He + g pr. gamma 5,496 MeV pr. gamma 5,496 MeV 3He helion 3He + 3He → 4He + 2p + g pr. gamma 12,860 MeV Cykl p-p I

Fuzja jądrowa w jądrze Słońca W jądrze powstaje cała energia emitowana przez Słońce Bilans cyklu proton-proton I to aż 24 MeV (86% energii produkowanej w Słońcu) Masa jądra He = 99.29% masy czterech p E = mc2 (2% energii zabierają neutrina) W efekcie Słońce traci masę w tempie 4·109 kg/s W miarę przemieszczania do powierzchni (co trwa 10 000 - 170 000 lat) fotony gamma tracą energie przechodząc w optyczne

Pierwotna nukleosynteza Przez kilka minut od Wielkiego Wybuchu duża gęstość i duża temperatura (wówczas powstają jądra H, D, 3He, He)

Bomba wodorowa T + D → 4He + n + g (18 MeV)

Fuzja termojądrowa jest źródłem energii!

E: 1g (D+T) ≈ 10t C Fuzja termojądrowa jest źródłem energii! Warunek: uzyskanie zapłonu termojądrowego

pr. gamma 12,860 MeV Energia jądrowa Łączenie (fuzja) lekkich jąder (H, D, T, He) Produkt: energia (g) i He He to gaz szlachetny = „czysty” Wymuszone rozszczepienie ciężkich jąder atomowych Ciepło 200 MeV Istniejące elektrownie „atomowe” Możliwość reakcji łańcuchowej

Energia jądrowa 235U + n → 92Rb + 140Cs + 3n + g pr. gamma 12,860 MeV Energia jądrowa Łączenie (fuzja) lekkich jąder (H, D, T, He) Produkt: energia (g) i He He to gaz szlachetny = „czysty” Wymuszone rozszczepienie ciężkich jąder atomowych Produkty: - energia (g) - duże ilości ciepła - odpady promieniotwórcze 235U + n → 92Rb + 140Cs + 3n + g

Energia jądrowa Kiedy uwalniana jest energia w przemianach jądrowych? synteza rozszczepienie obszar stabilny

Deuter i tryt Deuter (D, 2H) – stabilny izotop wodoru, jego jądro (deuteron) składa się z 1p i 1n, występuje naturalnie W wodzie morskiej 1 atom na 6420 atomów 1H Deuter odkrył Harold Clayton Urey w 1931 r. (nagroda Nobla w 1934 r.) Tryt (jądro tryton): T = 3H (1p + 2n), niestabilny izotop (T → 3He + e– + n) Synteza jądrowa: T + D → 4He + n + g (18 MeV)

Jak kontrolować fuzję jądrową? Nie ma jeszcze urządzenia, które pozwala na uzyskanie dodatniego bilansu energii z reakcji termojądrowej. Trudne warunki: bombardowanie jąder jądrami, temperatura: kilkanaście milionów K (°C) Stąd nazwa reakcje termojądrowe. Zimna fuzja? 1989, 2002, 2005, 2008, 2011, … Problem uwięzienia plazmy (nie chcemy bomby)

n·T·τ > 5·1021 keV·s/m3 Kryterium Lawsona Synteza – reakcja połączenia jąder i wyzwolenia energii Synteza z pozytywnym bilansem energetycznym (energii uzyskana > energia użyta do inicjacji) Reakcja łańcuchowa Zapłon – samopodtrzymująca się synteza Kryterium Lawsona dla D-T: n·T·τ > 5·1021 keV·s/m3 gęstość·temp.·czas

Jak kontrolować fuzję jądrową? Wszystkie sposoby uzyskania zapłonu termojądrowego bazują na ściskaniu plazmy Cel: 150 mln °C, warunek: pełna kontrola skurcz plazmy (Maszyna Z) tokamaki i stellatory NIC

Tokamak (Токамак) pole magnetyczne (toroidalne) pole magnetyczne (poloidalne) komora próżniowa

Tokamak (Токамак)

Tokamak (Токамак) Toroidalna komora z cewką magnetyczną Pierścień plazmy utrzymywany przez pole magnetyczne (deuter lub deuter i tryton) Zmienne pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne, które jonizuje gaz → plazma, a następnie powoli ją rozgrzewa. Eksperymentalny JET (Wielka Brytania), badawczy ITER (Francja) – zapłon 2019 r. Idea zostałaby zapewne zarzucona gdyby nie zainwestowane już fundusze (15 mld dolarów!)

Stellarator 2014: Wendelstein 7-X (Niemcy) jak tokamak, ale ze zmienioną geometrią 2014: Wendelstein 7-X (Niemcy)

Polywell Ich pierwowzorem są fuzory, w których jądra o wysokiej temperaturze są w kontrolowany sposób wstrzykiwane do komory próżniowej (komora reaktora) gdzie uderzają inne jądra Wewnętrzna siatka ulega szybkiemu zużyciu. W polywell (wielostudnia) wewnętrzna siatka zastąpiona jest przez pole magnetyczne Niepotwierdzona możliwość produkcji energii, ale prace są nadal finansowane przez wojsko USA

Polywell

A może jednak małe bomby? Idea: w małą porcję paliwa termojądrowego (mieszanka deuteru i trytu) uderza silny impuls lasera i prowadzi do jej wybuchu W jego wyniku powstaje hel, fotony oraz neutrony unoszące dużą energię Energia ze spalenia jednej porcji = beczułka ropy NIF (National Ignition Facility) w LLNL (USA) Za kilkanaście miesięcy ma dostarczać prąd Oddziaływania elektryczne i silne

National Ignition Fascility W Europie podobne projekty: HiPER (Węgry), LMJ (Francja), Beamlines Fac. (Czechy)

National Ignition Fascility Komora. Winda pozwalająca na konserwację i kontrolę

National Ignition Facility Instalacja komory

National Ignition Facility Pozycjonowanie kapsułki w przyszłym ognisku lasera

National Ignition Facility Na razie kapsułka umieszczana jest w metalowej pozłacanej „puszcze” - hohlaraum

National Ignition Facility Wypolerowana kapsułka wypełniona bardzo oziębionym paliwem jądrowym

Przebieg reakcji Promienie laserów X gwałtownie podgrzewają powierzchnię kapsułki z paliwem (D-T) tworząc plazmową „kopertę” Implozja kapsułki – gorąca powierzchnia wybucha i oddala się ściskając paliwo (jak odrzut w rakiecie) Paliwo jest ściskane do gęstości 20 razy większej niż ołowiu i ogrzewane do temperatury rzędu 100 mln ˚C (większej niż w słońcu). Następuje reakcja jądrowa, w której uwolniona energia wielokrotnie przewyższa energię dostarczoną przez lasery. Całość trwa ok. 10 ps

National Ignition Facility Lasery i detektory wokół komory (oscyloskopy, interferometry, kamery smugowe)

National Ignition Facility W NIF są 4 takie pomieszczenia, w każdym produkowane są 48 wiązki lasera. Razem 192

National Ignition Facility 192 wiązki laserowe Powstaje jeden impuls o mocy 4 MJ trwający pikosekundy Moc impulsu – 500 TW = 5·1014 W (laser medyczny – 60 W) Skupiany na kapsułce o średnicy 2 mm Jeden impuls uwalnia 45 MJ energii

Zalety Bezpieczny sposób produkcji energii (każda awaria przerywa proces) Niewyczerpywalne źródło paliwa (D-T w NIF, D i Li w HiPER) Mały wpływ na środowisko (He) Konkurencyjny koszt produkcji energii (zaangażowanie w projekt firm komercyjnych) Opłacalne dla elektrowni 500 MW – 1.5 GW Modularność ułatwi przyszłe modernizacje ICF: http://www.attoworld.de/Home/attoworld/High-fieldPhysics/FusionEnergy/index.html http://www.attoworld.de/Home/attoworld/High-fieldPhysics/FastIgnition/index.html 40

Osiągnięcia i kłopoty Od 15 marca 2012 laser o największej mocy Październik 2012 – zakończenie finansowania projektu NIC (ponad 5 mld $) – spełniona tylko 1/10 warunków do uzyskania zapłonu Kłopoty techniczne: symetria wybuchu, zabrudzenia kapsułki, rozbieżności z wynikami symulacji, kłopoty z optyką laserów Dyskusja nad kontynuacją (1 bilion $ rocznie na utrzymanie infrastruktury energetycznej) ICF: http://www.attoworld.de/Home/attoworld/High-fieldPhysics/FusionEnergy/index.html http://www.attoworld.de/Home/attoworld/High-fieldPhysics/FastIgnition/index.html 41

Osiągnięcia i kłopoty 29 września 2013 – udało się uzyskać pierwszą syntezę z dodatnim bilansem energetycznym Nadal nie ma zapłonu (ang. ignition), czyli samopodtrzymującej się syntezy Obecnie spełniona jest ok. 1/3 warunków do uruchomienia elektrowni (zapłonu) NIF zmieniło cele na badania materiałowe ICF: http://www.attoworld.de/Home/attoworld/High-fieldPhysics/FusionEnergy/index.html http://www.attoworld.de/Home/attoworld/High-fieldPhysics/FastIgnition/index.html 42

Do zapamiętania: Energię można czerpać z: rozszczepienia ciężkich jąder (tradycyjne elektrownie) fuzji lekkich jąder (Słońce) Nie ma jeszcze komercyjnej elektrowni korzystającej z fuzji jądrowych (próby w NIF) Lektura: Wiedza i Życie 08/2014, Przemek Berg Kosmiczne grzanie (http://www.wiz.pl/8,1533.html) Wojciech Kossakowski Inercyjna synteza jądrowa (praca zaliczeniowa) http://www.if.pw.edu.pl/~pluta/pl/dyd/mtj/zal1/pz09/Kossakowski-MiTJ1.pdf

Pytania Które procesy mogą być źródłem energii? rozszczepienie ciężkich atomów rozszczepienie lekkich atomów fuzja ciężkich atomów fuzja lekkich atomów Co jest produktem cyklu p-p I? Co to jest plazma? Wymień i opisz jednym zdaniem urządzenia, które pozwalają na uzyskanie kontrolowanej fuzji jądrowej? Jakie zjawisko wykorzystywane jest w NIF? Kryterium Lawsona (podwójny iloczyn)